Unidad 4 Tipos de Intercambiadores

Unidad 4 1.1. Tipos de intercambiadores de calor  Contacto indirecto o recuperadores: TUBOS CONCÉNTRICOS O DOB! TUBO  A continuación se indica el funcionamiento de un intercambiador de calor de tubos concéntricos o doble tubo:

Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Están constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. Hay dos posib posible les s conf config igur urac acio ione nes s en cuant cuanto o a la dire direcc cció ión n de los los flui fluidos dos:: a contra contracorr corrien iente te y en paralel paralelo. o. A contracor contracorrie riente nte los dos fluido fluidos s entran entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. A continuación se pueden !er  dos imágenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.

Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. "e utili#an tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es muc$o menor que el otro. %omo resultado el área exterior se amplia& siendo ésta más grande que el área interior. El tubo con aletas trans!ersales representado a continuación& se utili#a cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo.

En cambio& cuando la dirección del flu'o de los fluidos es paralela al e'e de los tubos& el tubo es con aletas longitudinales:

Una aplicación de un intercambiador de doble tubo es el que se utili#a para enfriar  o calentar una solución de un tanque encamisado y con serpent(n )"i se aprieta al botón

COR"#" $ TUBOS El intercambiador de calor de cora#a y tubos es el más utili#ado en la industria. Está formado por una cora#a y por multitud de tubos. "e clasifican por el n*mero de !eces que pasa el fluido por la cora#a y por el n*mero de !eces que pasa el fluido por los tubos. En los intercambiadores de calor de paso m*ltiple se utili#a un n*mero par de pasos en el lado del tubo y un paso o más por el lado de la cora#a.  As( por e'emplo el primer intercambiador que $ay representado es +,-& es decir& que el fluido circula una !e# por la cora#a y el que se encuentra en el interior de los tubos pasa dos !eces. En la segunda imagen $ay un intercambiador de calor  de cora#a y tubos +,& por donde circula el fluido caliente  !eces por dentro de los tubos y el fluido fr(o + !e# por la cora#a. En la tercera imagen se !e un condensador& donde el !apor entra por la parte de la cora#a y sale por la parte inferior en forma de l(quido. El l(quido fr(o& que normalmente es agua& entra por la parte inferior& por dentro de los tubos& y sale por la parte superior. A !eces no condensa todo el !apor y se $a de reali#ar una purga de aire. /or *ltimo !emos el tambor de una columna de destilación& donde se produce la e!aporación de una parte del disol!ente procedente de la columna de destilación que se encuentra en forma l(quida. Esta e!aporación es gracias al !apor de agua que circula por dentro de los tubos& que cede el calor de condensación al l(quido. El l(quido se e!apora y el !apor de agua se condensa. El producto sale por la parte inferior del tambor. "iempre queda una me#cla de l(quido y !apor de agua que es de!uelto a la columna de destilación para poder separar sus componentes. El *ltimo es un e!aporador& los e!aporadores están explicados en el apartado de e!aporadores. Los tubos que !an por dentro de la cora#a son colocados mediante una placa deflectora perforada& representada a continuación:

Estas placas deflectoras están puestas para generar un flu'o cru#ado y inducir una me#cla turbulenta en el fluido que !a por la cora#a& la cual cosa me'ora el intercambio por con!ección. Los tubos pueden presentar diferentes distribuciones: , "%uste cuadrado. Esta configuración permite una me'or limpie#a de los tubos. 0ambién $ace que $aya una menor ca(da de presión en el lado de la cora#a.

, "%uste cuadrado &irado. Las !enta'as de esta distribución es la misma que el anterior.

, "%uste trian&ular . "e consigue una mayor superficie de transferencia de calor  que con el a'uste cuadrado no se consigue. "i la distancia de centro a centro de los tubos es muy peque1a& no se puede limpiar.

!'"(OR"DOR!S Un e!aporador es un intercambiador de calor de cora#a y tubos. Las partes esenciales de un e!aporador son la cámara de calefacción y la cámara de e!aporación. El $a# de tubos corresponde a una cámara y la cora#a corresponde a la otra cámara. La cora#a es un cuerpo cil(ndrico en cuyo interior está el $a# de tubos. Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos& a tra!és de la cual tiene lugar el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras& dise1adas para que la eficacia sea máxima& da lugar a distintos tipos de e!aporadores. /odemos clasificar los e!aporadores en dos grandes grupos: , !)aporadores de tubos *ori+ontales. El !apor calefactor es !apor de agua saturado que cede su calor de condensación y sale como agua l(quida a la misma temperatura y presión de entrada. Este e!aporador se denomina de tubos $ori#ontales porque los tubos están dispuestos $ori#ontalmente. En el siguiente e!aporador& la cámara de calefacción está formada por los tubos $ori#ontales& que están soportados por dos placas. El !apor entra en los tubos y se condensa al cedes su calor de condensación. /uede quedar !apor no condensable& que se elimina mediante una purga. La cámara de e!aporación formada por un cuerpo cil(ndrico !ertical& cerrado por las bases& con una salida para el disol!ente e!aporado por la parte superior y otra salida para la disolución concentrada en la parte inferior. Estos e!aporadores suelen ser de c$apa de acero o $ierro con un diámetro aproximado de - metros y 2 metros de altura. El diámetro de los tubos acostumbra a ser de - a 2 cent(metros.

En el siguiente e!aporador el !apor entra por dentro de los tubos& y al ceder calor  al l(quido que circula por encima de los tubos& el !apor se condensa. 3el e!aporador sale la disolución concentrada y el disol!ente e!aporado.

, !)aporadores de tubos )erticales . "e denominan as( porque el $a# de tubos están dispuestos !erticalmente dentro de la cora#a. El e!aporador que se encuentra a continuación se denomina !)aporador  Standard& que es uno de los más conocidos. La e!aporación tiene lugar dentro de los tubos& saliendo por la parte superior el disol!ente e!aporado y por la parte inferior la disolución concentrada. El !apor calefactor entra por encima del $a# de tubos y sale como agua condensada.

El !)aporador de Cesta que se encuentra a continuación& es otro tipo de e!aporador de tubos !erticales& en el cual la cora#a tiene forma cónica. Este tipo de e!aporador se utili#a cuando lo que se pretende es lle!ar la e!aporación al extremo& es decir& e!aporar todo el disol!ente de la disolución diluida para obtener  cristales. Los cristales formados se recogen por la parte inferior. El elemento calefactor se trata de un cuerpo compacto que se puede extraer para su limpie#a.

!)aporador m,ltiple e-ecto Un e!aporador de m*ltiple efecto consta de un con'unto de e!aporadores& donde el primer efecto es el primer e!aporador y as( sucesi!amente. 3urante el funcionamiento& el !apor producido en el primer efecto se utili#a como !apor calefactor del segundo efecto. 4étodos de alimentación en los m*ltiples efectos:

, "limentacin directa. El alimento entra en el primer efecto y sigue el mismo sentido de circulación que el !apor& saliendo el producto en el *ltimo efecto. El l(quido circula en el sentido de las presiones decrecientes y no es necesario aplicar ninguna energ(a auxiliar para que el l(quido pase de un efecto al otro. "olo $acen falta dos bombas& una para introducir el l(quido en el primer efecto y otra para extraer el producto del *ltimo efecto.

, "limentacin a contracorrient e. El l(quido a e!aporar entra en el *ltimo efecto y sale concentrado por el primero. El l(quido a concentrar y el !apor calefactor  circulan en sentido contrario. Aqu( el l(quido circula en sentido de presiones crecientes y esto requiere el uso de bombas en cada efecto para bombear la disolución concentrada de un efecto al siguiente . Esto supone una complicación mecánica considerable que se suma al $ec$o de $acer traba'ar las bombas a presiones inferiores a la atmosférica. As(& si no $ay otras ra#ones& se prefiere el sistema de alimentación directa.

/ "limentacin mi0ta. %uando en una parte del sistema de alimentación es directa y en la otra parte es a contracorriente. Este sistema es *til si tenemos disoluciones muy !iscosas. "i utili#amos la corriente directa pura& nos encontramos que el *ltimo efecto& donde $ay menos temperaturas la !iscosidad de

la disolución concentrada aumenta& lo que $ace disminuir sensiblemente el coeficiente global& U& en este efecto. /ara contrarrestar eso& se utili#a la alimentación a contracorriente o la mixta. La disolución diluida entra en el segundo efecto i sigue el sentido de la alimentación directa& pasando después del *ltimo efecto al primero& para completar la e!aporación a temperatura ele!ada.

/ "limentacin en paralelo:  %uando el alimento entra simultáneamente a todos los efectos y el l(quido concentrado se une en una sola corriente. "istema utili#ado en la concentración de disoluciones de sal com*n& donde los cristales depositados $acen que resulte dif(cil la disposición de la alimentación directa.

En general& para decidirnos por un sistema de alimentación u otro& es necesario efectuar el cálculo pre!io del rendimiento de e!aporación para cada uno de los sistemas.

"i la temperatura de entrada del alimento es bastante inferior a la de ebullición en el primer efecto& en el caso de corrientes directas todo el calor que se da en el primer efecto !a destinado a calentar el alimento )calor sensible5 y muy poco a producir !apor& lo que pro!ocará un ba'o rendimiento en el proceso global del m*ltiple efecto. En este caso se prefiere la circulación a contracorriente. /or lo contrario& cuando la disolución entra en el sistema a temperatura superior a la de ebullición del *ltimo efecto& será más con!eniente la alimentación directa& ya que lo que pasar(a ser(a que la disolución al entrar al *ltimo efecto lo !apori#ar(a parcialmente& produciendo un !apor que no tiene utilidades posteriores& entonces la disolución lo enfriar(a $asta la temperatura de la cámara de e!aporación del *ltimo efecto y posteriormente se tendr(a que ir calentando al entrar a cada efecto.

("C"S Un intercambiador de calor de placas consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda placa circule un fluido& entre la segunda y la tercera otro& y as( sucesi!amente. Estas placas están separadas por 'untas& fi'adas en una cora#a de acero. La circulación de estos fluidos puede tener diferentes configuraciones& en paralelo y contracorriente. En la figura de deba'o $ay diferentes tipos de placas que se pueden encontrar en un intercambiador de calor de placas. %ada placa tiene canali#aciones diferentes de fluido que inducen a turbulencia. "i el fluido fr(o circula por la parte de delante de la placa& el fluido caliente lo $ace por la parte de detrás.

CO("CTO Los intercambiadores de calor compactos están dise1ados para conseguir una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de !olumen. En los intercambiadores compactos& los dos fluidos normalmente se mue!en en direcciones ortogonales entre s(. Esta configuración del flu'o recibe el nombre de flu'o cru#ado. El flu'o cru#ado se clasifica en me+clado )uno de los dos fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones5 y no me+clado )se ponen unas placas para guiar el flu'o de uno de los fluidos5. E'emplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de los coc$es& los intercambiadores de calor de cerámica de !idrio de las turbinas de gas& el regenerador del motor "tirling y el pulmón $umano.

De contacto directo TORR!S D! !N2RI"I!NTO Las torres de enfriamiento son un tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad quitar el calor de una corriente de agua caliente& mediante aire seco y fr(o& que circula por la torre. El agua caliente puede caer en forma de llu!ia y al intercambiar calor con el aire fr(o& !apori#a una parte de ella& eliminándose de la torre en forma de !apor de agua. Las torres de enfriamiento se clasifican seg*n la forma de subministra miento de aire en:

, Torres de circulacin natural , "tmos-3ricas: El mo!imiento del aire depende del !iento y del efecto aspirante de los aspersores. "e utili#a en peque1as instalaciones. 3epende de los !ientos predominantes para el mo!imiento del aire. , Tiro natural: El flu'o del aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades& entre el aire más fr(o del exterior y $*medo del interior  de la torre. Utili#an c$imeneas de gran altura para obtener el tiro deseado. 3ebido a las grandes dimensiones de estas torres se utili#an flu'os de agua de más de -66666gpm. Es muy utili#ado en las centrales térmicas.